変形性関節症の発展とタンパク質の関連性

HPIPが変形性関節症の進行を防ぐ

変形性関節症は最も中高年に起きやすい病気だ。米国の疾病管理センターによると、65歳以上人は80%が関節炎を患っている。軟骨変性は骨関節炎の治療に影響する。

中国人民解放軍総合病院の王岩教授と軍事医学院北京生物工学研究所の葉棋教授が指導する研究チームはこのほど、骨関節炎の背後の分子メカニズムを深く分析した。彼らは、HPIP(完全造血前B細胞性白血病転写因子相互作用タンパク質)が、骨関節炎の発展のために重要な役割を果たしていることを発見した。

この成果は1月中旬に「ネイチャーコモンズ」雑誌に発表された。「HPIPはWntの経路に通じて転換させたプログラムの表面な遺伝的調整によって軟骨変性を調節することがわかった。HPIPは骨関節炎の治療に新しい方法をもたらす可能性があることを示している」と著者は書いている。

これまでの研究によると、HPIPタンパク質は主にがんの発生と発展の間に調整的な役割を果たしていた。例えば乳癌の場合、HPIP-ERで構成された複合物は体内と内外で細胞の増殖と移動を促進する。またHPIPはTGF-βによる上皮間葉転換を抑えた。TGF-βは軟骨の安定状態を維持する上で、内部性の細胞因子として作用する。しかし、HPIPの骨関節炎の働きは依然として未知である。

研究者はHPIPが骨関節炎内での役割を確認するために、118個の骨関節軟骨組織および対応する非変形サンプル内のHPIPの表現レベルを分析し。免疫組織の染色とqRT-PCRの分析により、非組織化よりも骨関節軟骨のHPIPの発現が顕著に高いことを発見した。またHPIPの表現は、骨関節炎の進展に伴って次第に増加し、細胞外基質(ECM)成分コロコイド(COL2A1)とACAN (ACAN)の表現は減少し、関節軟骨変性症に関与する可能性があるということを意味する。

また研究者は軟骨細胞の特定性HPIPによりマウスが破壊されたパターンを分析した。そして、サイヤジェン(Cyagen)にHPIPf/fマウスの作製を依頼し、さらにCol2a1−CreERT2用のラットを購入し、Col2a1−CreERT2/HPIPf/fラットを製造した。染色結果によると、同巣のHPIPf/f子ラットと比較し、Col2a1−CreERT2/HPIPf/fラットの骨格異常が明らかになっている。チノ、アフィン、スネ、椎骨などの骨の長さは、マウスと比べて10 ~ 21%短いと検証しました。

HPIPは骨関節炎発病のメカニズムでどのような役割を果たしたのだろうか？Col2a1−CreERT2/ HPIPf/fラットとHPIPf/fラットの膝の前方十字靭帯を切断し、手術後の軟骨の厚さと覆われた面積を検査する手術を受けた。HPIPf/fの軟骨厚さと覆蓋面積は、手術後4週間と8週間でCol2a1−CreERT2/HPIPf/fのマウスに比べてかなり低いということを判明しました。

骨関節炎のには継発性のある臨床症状が伴う。ホットボード解析および痛さの測定によると、HPIPf/fマウスの熱板応答時間が増加し、トランスフォードトレイルの応答時間、負荷、走行距離が減少し、手術を受けたことがないCol2a1−CreERT2/HPIPf/fラットは、トランスデューサまたはホットボードの応答時間に差がないことがわかった。その結果、HPIPの打除により骨関節炎の進行を防ぐことができることが判明しました。

図1: 変形性関節症の発展とHPIPタンパク質の関連性

HPIPの骨関節炎治療における効果をさらに研究するため、研究者は8週間のC57BL/6J野生型マウスに対して前十字靭帯摘出术を行います。2週間後は関節内にAAV受容体を注射し、HPIP特異性のshRNAを割り当てられた。その結果、注射を受けていないマウスはより大きな軟骨変性を見せ、軟骨の厚さや覆われた面積がより低いことが分かった。この結果、HPIP特異性のshRNAが軟骨損傷から関節を保護することができることが分かった。

HPIPはどの経路をコントロールしましたか?

研究者達はHPIPノックアウト軟骨細胞と合わせたRNA－seq分析を展開し、HPIPがコントロールされた正確な地点を特定する。それに対してHPIPの細胞に1271個の異なる遺伝子(DEG)が存在することになり、このうち486個の遺伝子の転写本は修正され、COL2A1を含む785個の遺伝子の転写本は下方修正される。このほか、KEGGパスの分析では、DNAコピーとECM−受容体相互作用とWntシグナル伝達経路の低下、p53シグナル伝達経路の上方修正が示されている。HPIPが軟骨の定常状態を維持する上で鍵となる調整タンパク質であることを示しています。

その後、全ゲノムクロマチン質免疫沈着順位測定(ChIP-seq)を利用し、HPIPの直接的な標的を突き止めた。その結果、HPIPはPBX1を含む3136個の顕著なChIP-seqが存在することが示された。さらにChIP-seqとRNA-seqのデータの交集を分析したところ、93個標的点がHPIPにより失われた直接のコントロールを受けた。最終的にHPIP欠陥型軟骨細胞のうち、Wntシグナル伝達経路の標的のmRNA表すレベルが著しく低下したことが分かった。

図2: HPIPとWntシグナル経路の関連性

酵母のハイブリッドと免疫共沈殿物の分析によると、HPIPとレクリプト因子LEF1の間には相互作用がある。HPIP表現はWntの多くの点の表現を増加させた、ソース性LEF1の叩き低下がWnt的点の表現を抑え、HPIPコントロールWnt的点の能力を排除した。これは、LEF1がHPIP介導のWnt的点コントロールにとって重要であることを示している。

研究者は、メチルアセチル化は通常、遺伝子の活動的な転写に関わっているため、HPIPが染色質状態の修飾によってWnt的な表現を調整するかどうかを深く研究する。LEF1はHPIPの募集を低下させ、複数の遺伝子の開始にH3K56acのアセチル化を行っており、H3K56ac活性がHPIP調整に重要であることを示している。これらのデータは、HPIPがWntシグナル経路上の重要な標的表現を直接活性化することができ、具体的な方法は、H3K56acの活性化子に対してアセチル化することである。

その結果、HPIPが骨関節炎治療の標的になる可能性が高いと著者は見ている。ただ、今後の臨床試験に先立ち、HPIP特異性のshRNAをコード化したスローウィルス搭載体の大型骨関節炎動物モデルにおける効果を評価する研究がさらに必要になる。

原文検索:

Hematopoietic PBX-interacting protein mediates cartilage degeneration during the pathogenesis of osteoarthritis

Nature Communications 10, Article number: 313 (2019)